JPH0310157A - ガス濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、超音波を用いたガス濃度測定装置に関し、特
に炭鉱などの劣悪な環境において超音波の減衰が大きい
可燃性ガスあるいは炭酸ガスなどの低濃度から高濃度ま
でのガス濃度測定に通したガス濃度測定装置に関する。

本発明は特に、超音波の減衰が空気に比較して大きい被
測定ガスと空気との混合気体が強制的にあるいは気体の
拡散作用によって導入される筒型あるいは角型のガス検
出用セルにおいて、セル端面から反対の端面に向けて超
音波を発信することにより、気体中のガス濃度によって
影響される超音波の減衰を超音波の受信波の実効値また
は尖頭値を検出することにより、低濃度から高濃度にわ
たる広範囲のガス濃度測定を高い信頼性で可能にしたも
のである。

（従来の技術） 一般に、ガス濃度の測定方法は、化学的な作用変化に基
づくものと物理的な物性値の変化に基づくものとの２種
の方法に大別される。

化学的な作用変化に基づくもので代表的なものは、半導
体式セラミックセンサーを用いる方式、定電位電解方式
および接触燃焼方式などがある。

これらの方式では、低濃度領域では測定対象とするガス
に対する測定感度が極めて高い特徴を持つ反面、高濃度
ガス雰囲気中では感度が鈍くなったり、長期間の測定で
は感度低下が発生する。

一方、物理的なガス濃度の測定方法には、熱伝導率の相
違を検出する方式、光の屈折率の相違を検出するもの、
赤外線の吸光度を利用する方式および音速の相違を検出
するものなどがある。これらの方式では、測定感度は化
学的な測定をするものには及ばないものの、広範囲にわ
たるガス濃度測定に適し、感度低下等も比較的少ない。

ただし、光学的方式の場合には、粉塵や高温・高湿度な
どの劣悪な雰囲気環境下での測定には一般には適しない
。

音速の変化を利用する物理的な方式には、超音波の送受
波器を用いて音速の変化を測定することからガス濃度を
算定するものが含まれる。特に、ガスセル内の音速の変
化を送信波の繰り返し周波数の変化から求めガス濃度を
測定するエコーオーバラップ法およびパルス波を送信し
受信するまでの時間の変化からガス濃度を測定する超音
波パルス法などが実用化されている。

（発明が解決しようとする課題） ところで超音波の送受波器を使用し、音速の変化を測定
することでガス濃度を測定するガス濃度測定装置は、超
音波送受波器を使用することで耐環境性に優れ保守性が
よい長所があるが、測定精度をあげるために超音波送受
波器間の距離を大きくするとガス検出用セルの容積が太
き（なりセル内のガス濃度が安定化するまでに時間を要
すること、ガスの温度によって音速の変化が比較的に大
きいため正確な温度補償回路を必要とすることおよび超
音波の伝播時における減衰が激しい高濃度可燃性ガスあ
るいは炭酸ガスなどの場合には受信波が小さくなり測定
が不安定になったり不可能になるという問題点がある。

そこで本発明は、従来の超音波の音速変化からガス濃度
を求める方式のガス濃度計の問題点を解決するために提
案されたものであり、超音波の減衰の大きい高濃度可燃
性ガスあるいは炭酸ガスなどを対象とし、節潔な装置構
成で従来方式に比較し、より小型のガス検出用セルを用
いることができ、迅速にかつ安定な測定を可能としたガ
ス濃度測定装置を提供することを目的としたものである
。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記課題を解決しその目的を達成するために考
えられたもので、本発明は、超音波の減衰の大きいある
種のガスを含んだ空気との混合気体が強制的または気体
中の拡散作用によって導入されうる筒型または角型のガ
ス検出用セルを設け、超音波を発信する超音波送波器お
よびガス検出用セル内の気体中を伝播することによって
減衰した超音波を受信するための超音波受波器を上記ガ
ス検出用セルの両端にそれぞれ向かい合せて設け、上記
超音波受波器からの出力信号の実効値または尖頭値の値
からガス濃度を算出する演算回路および表示器を設けた
ことを特徴とするガス濃度測定装置である。

（作　用） 上述の本発明では、超音波の減衰の大きいある種のガス
と空気との混合気体が強制的または気体中の拡散作用に
よって導入されうる筒型または角型のガス検出用セルを
設け、超音波を発信する超音波送波器およびガス検出用
セル内の気体中を伝播することによって減衰した超音波
を受信するための超音波受波器を上記ガス検出用セルの
両端にそれぞれ向かい合せて設け、上記超音波受波器か
らの出力信号の実効値または尖頭値の電圧を演算回路か
ら算出することによって、周辺の粉塵あるいはガス温度
にほとんど影響されずにガス濃度を安定的に知ることが
できる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の一実施例のガス濃度測定装置の要部
を一部断面として示した回路系統図である。

第１図において、筒型あるいは角型などのガス検出用セ
ルｌの両端にそれぞれ超音波送波器２および超音波受波
器３を向き合せて固定する。ここで、ガス検出用セル１
の側面には測定気体領域４と粉塵用フィルター５を介し
て接続する吸気口６および気体吸引装置９に連結管８に
よって接続されたガス排出ロアが設けられる。この吸気
口６およびガス排出ロアの設置位置および大きさは超音
波の伝播を妨害しなければ任意に設けることができ、設
置数はそれぞれ１以上であればよい。ここで、吸気口６
およびガス排出ロアをかなり多数設けた場合には、゛拡
散作用によってガスが導入される構造をとることができ
、吸引装置９を必要としない構成もできる。さらに、吸
引装置９の代りに吸気口６に接続する気体供給装置を用
いることも可能である。また、耐熱性のあるガス検出用
セル１、超音波送波器２および超音波受波器３を用いれ
ば、高温ガスの濃度測定が可能である。上記の超音波送
波器２は発信回路１０を経てタイミング回路１１の出力
端に接続されており、超音波受波器３は、増幅回路１２
、フィルター回路１３、演算回路１４を介して表示器１
５への入力端に接続される。

つぎにこのように構成される上記ガス濃度測定装置の動
作を説明する。

まず、発信回路１０からは周波数がたとえば５０ｋＨｚ
からＩＭＨｚ程度の交流信号をタイミング回路１１によ
ってたとえば２波形からｌＯ波形程度づつある時間間隔
毎に連続して超音波送波器２に供給される。このときの
タイミング回路１１における送信間隔は、ガス検出用セ
ル１において発信された超音波どうしあるいはガス検出
用セル１の端面での超音波の反射波との間で干渉による
定在波などが形成されない程度であってかつ測定精度お
よび分解能を向上させるために極力時間的に密に行うも
のとする。

このとき、第２図に示すように、片方の端面に設置され
た超音波送波器２から送信された超音波は、ガス検出用
セル１内のガスと空気との混合気体中を伝播し、反対側
の端面に設置した超音波受波器２によってまず直接受信
波Ｐとして受信されるとともに反射を繰り返し、減衰し
ながら第１、第２などの反射波として超音波受波器３で
受信される。このとき、ガス検出用セル１内のガス濃度
によってこれらの受信波の振幅は影響され、可燃性ガス
あるいは炭酸ガスなどの超音波が減衰し易いガスでは、
ガス濃度が高いほど受信波の振幅が小さくなる。受信波
Ｐは増幅回路１２、フィルター回路１３を経て、発信回
路１０の周波数のみを抽出したのち、演算回路１４にお
いて受信波Ｐ３．Ｐｚ。

Ｐ、の実効値電圧または尖頭電圧を求め、あらかじめガ
ス濃度との関係を校正した式にもとづきガス濃度を算出
し、表示器１５に表示する。ただし、ガス検出用セル１
内の温度が測定期間内に比較的大きく変動する場合には
、演算回路１４に温度補償回路を付属させることによっ
て、ガス濃度測定の精度を維持することができる。

なお、受信波が十分な電圧を持っている場合には、増幅
回路１２を必要としない場合もある。また、受信波に発
信波以外の雑音成分が混入していない場合にはフィルタ
ー回路１３を必要としない場合もある。

第３図はメタンガスおよび炭酸ガス濃度に対する超音波
受波器による受信波の実効値出力の測定例を示す図であ
る。このときの測定条件は、ガス検出用セルの内部透過
長が３２ｍｍで、内径が１２．５ｍｍ、ガスと空気の混
合ガス雲囲気温度が１６°Ｃの条件で測定したものであ
る。

（実　験　例） （１）実験の目的 本実験では高周波の超音波が特に可燃性ガスなどにおい
て減衰し易い特殊性を利用したガス濃度計を構成し、超
音波の音速と減衰率との関係を調査した。用いた超音波
送受波器は２１５ｋＨｚの共振周波数をもつもので、気
体用としては高周波数に分類されるものである。

（２）実験装置および測定方法 実験装置全体のブロック線図を第４図に示す。

第４図において、第１図と同一符号を付した部分は同一
構成を示すものとし、１６は空気ボンベ、１７はガスボ
ンへ、１８はガス分割器、１９はガスヒータ、２０はヒ
ータ電源、２１はサーミスタ、２２はオームメータ、２
３はＲＭＳメータを示す。

また、基礎的な超音波音速・減衰特性を測定するために
用いたガスセルＪを第４図に示し、主な記号の定義を第
５図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す。第５図（Ａ）、（
Ｂ）、（Ｃ）において、Ｄはガスセルの内部直径、■は
超音波の音速、Ｑはビームの広がり角、ｄは送受波面の
直径を示し、ｔｒは送信波の送信間隔を示す。ＴＷは送
信波、ＲＷは受信波、ＲＦは反射波を示す。

Ｐ＋　は直接受信波、Ｐ２．Ｐ３は反射受射波を示す。

円筒形ガスセル１０両端には、超音波送波器２がそれぞ
れ組込まれている。超音波の送受波器２，３は同一の構
造をもつチタン酸バリウム系の変換器（Ｍａｓｓａ　ｐ
ｒｏｄｕｃｔｓ　　社製、モデル　Ｅ−１８８，共振周
波数２１５　　ｋＨｚ、バンド幅±１０ｋＨｚ、　ビー
ムの広がり角１０°送受波面の直径１２．５　ｍｍ　）
である。音速・減衰に関する基礎特性の測定には超音波
送受波器間の距離（＝ガスセルの長さ）Ｌを、３０ｍｍ
〜２８４　ｍｍまで変化させて測定を行なった。発信回
路１０は、２１５　ｋＨｚ　、５Ｖｐｐの矩形波を５波
形連続して超音波送波器２に送信する（第５図参照）。

ただし、これらの波形の送信間隔ｔｒは、タイミング回
路１１によって約２００μｓｅｃから１００ｍ５ｅｃ程
度まで調整可能である。超音波送波器２から発信された
超音波はガスセル１内を透過したのち受波器３で受信し
、再度交流波に変換される。その後、１ｋＨｚのバイパ
スフィルター（２４ｄ　Ｂ　／　ｏｃｔ、　）によって
低周波雑音成分をカットし、実効値メータ２３あるいは
オシロスコープ１５でピーク電圧および実効値を測定し
た。さらに、音速測定を行う場合には、Ａ、Ｃ増幅器１
２で増幅した後、Ｆ、Ｆ、　　ラッチ回路２４に導き、
送信波との時間を測定するための矩形波を発生させ、こ
れをユニバーサルカウンター２５に人力し測定を行なっ
た。

なお、メタンガスの供給システムは、ガスボンベ１７よ
り供給される純度９９％以上のメタンガス、炭酸ガスお
よびエチレンガスなどのガスを空気ボンベ純空気とガス
分割器１８によって混合させた。混合比は６種である。

混合されたガスは、ヒータ一部１９を通り温度調整され
た後ガスセル１に導かれる。ガス雰囲気温度はサーミス
ター２１によって測定し、各ガス濃度は、ガスセルから
の排気ガスをサンプリングし、ガスクロマトグラフによ
って測定した。

（３）ガス中における超音波音速・減衰特性の測定結果 超音波の気体中における減衰特性の測定は、内径Ｄ　＝
　３４　ｍｍのガスセル１を用いて行い、セル１内で定
在波が形成されないようにタイミング回路１１の発信間
隔ｔｒをｔｒζ３ｍｓ　ｅ　ｃとした。このときの受信
波の一例を第５図に示す。

最初の波形の集団（ピーク電圧Ｐ、）は送信された超音
波を直接受信したものであり、その後の減衰した波形（
ピーク電圧Ｐ２）はガスセル内を往復した反射波である
。ＣＨ，、Ｃｏｔ　。

ＣｔＨ４，Ａ　ｒ　、　　Ｈｅ　、　　Ｎｚの各ガスと
空気との混合を６種の濃度Ｃ（％）で変化させ、さらに
ガスセル長しも変化させて、これらのピーク電圧Ｐ１お
よびＰ２を広範に測定した。その結果、Ｌ＝３０〜１０
０■の範囲で、距離りに対してＰｌの減衰率（ｄＢ）が
比例することが確認された。ただし、　２０　ｌｏｇ　
（Ｐｚ　／　Ｐ　Ｉ）で定義される反射波の減衰率（ｄ
Ｂ）は、必ずしもＬに比例せず複雑な挙動を示した。こ
の原因は、ガスセル内壁および端面の影響を受けたため
と考えられる。表１に、Ｌを３０ｍｍから１００　ｍｍ
まで変化させ求めた各ガス単味に対する音速および単位
長さ当りの減衰率の実測値を示す。

表中には、古典的な波動理論から求められた減衰率も参
考のため示したが、実測値はいずれも数十倍以上の減衰
率となっている。単原子あるいは２原子分子のガスの場
合、減衰率かはとんど空気に等しいのに対し、炭素原子
を含む３原子以上の分子からなるガスでは減衰がかなり
大きい特徴がある。従って、炭素原子を含むガスの場合
、超音波の減衰による濃度計あるいはガスクロマトグラ
フを構成しうる可能性がある。

（４）実証的なガスセルによるガス濃度計の構成基礎的
な超音波音速・減衰特性の測定結果に基づき、実証的な
超音波送受波器を組込んだ小型のガスセルを試作した。

ガスセル内の容積は約３．４　ｃｍ′Ｊで、ガス流量が
５ｃｍ′３／ｓ以上であれば応答の時定数は１秒程度で
ある。また、受信波形（ガスセル内を反射した波形も含
む）の実効値の測定精度を上げるため、送信間隔は干渉
による定在波ができない範囲で極力短かくした（ｆ　ｒ
＝１／ｌ　ｒ＝１．３　ｋＨｚ　）、その受信波形を第
６図に示す。この実証型セルによって測定したガス濃度
Ｃ（％）と受信波の実効値Ｐ　ｒｍｓ　（ｍＶ）の関係
を第７図に示す。Ｃ，Ｈ，は、約２０％までの減衰が大
きく、それ以上ではほとんど変化していないが、ＣＯ□
およびＣＨ，については、比較的線形的な変化となって
おり、この２種のガスに関してはガス濃度計が構成でき
るものと判断される。

（５）実験の結論 本実験では、代表的なガスとしてメタンおよび炭酸ガス
などの超音波減衰特性を利用した高濃度用ガス濃度計の
構成を試みた。このガス濃度計は、電源部２０、発信回
路１０、タイミング回路１１、ガスセル１、実効値メー
ター２３およびサーミスター２１を含む温度補償回路か
ら構成され、極めてＮ？−Ｍな装置で実現し得るもので
ある。本装置は安定性、耐気候性および保守性などにつ
いての長所があることから、今後さらに実証的な濃度計
の開発が期待される。

（発明の効果） 以上説明したように本発明のガス濃度測定装置では、超
音波送受波器１，２をガス検出用セル１と結合させて用
いているために、炭塵高温度などの劣悪な環境において
も、電気化学式センサーを用いた測定方式あるいは光学
的測定方式に比較して、耐環境性に優れ、迅速かつ安定
にガス濃度の測、寅ができる。また、ガス濃度を超音波
受信波の実効電圧あるいは尖頭値電圧の大小から算出す
るため、簡潔な装置構成および小型のガス検出用セルを
使用することができることから、装置全体を小型化する
ことが可能であり、保守性もよく工業工大なる利点があ
る。

また、本発明のものは音速の変化からガス濃度を求める
方式に比べて、超音波の減衰が大きい可燃性ガスあるい
は炭酸ガスなどを低濃度から高濃度まで広範囲にわたっ
てガス濃度の測定ができ、かつ長期間にわたって安定な
測定ができることがら信頬性も高い。さらに、故障時に
は受信波の出力が低減することから、フェールセーフの
モニターとなりうる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のガス濃度測定装置の構成を
示す一部を断面とした回路配置図、第２図は上記ガス濃
度測定装置の動作を説明するための波形図、 第３図はメタンガスおよび炭酸ガス濃度に対する超音波
受波器による受信波の実効値出力の測定例を示す図、 第４図は実験装置全体のブロック線図、第５図（Ａ）、
（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ主な信号の定義を示す図、 第６図は受信波形を示す図、 第７図は実証型セルによって測定したガス濃度Ｃと受信
波の実効値Ｐ　ｒｍｓとの関係を示すグラフである。 １・・・ガス検出用セル　　２・・・超音波送波器３・
・・超音波受波器　　　４・・・測定気体領域５・・・
粉塵用フィルター　６・・・吸気ロア・・・排出口　　
　　　　８・・・連続管９・・・気体吸引装置　　　１
０・・・発信回路１１・・・タイミング回路　　１２・
・・増幅回路１３・・・フィルター回路　　１４・・・
演算回路１５・・・表示器 第１図 第３図 カパス濃度　％ 第４図 １ 第５図 （Ｂ）丁Ｗ（府ｉυＦ、、） ％

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（イ）可燃性ガスあるいは炭酸ガスなどの超音波の
   減衰が大きい被測定ガスと空気との混合気体が強制的ま
   たは気体中の拡散作用によって導入されうる筒型または
   角型のガス検出用セルを設け、 （ロ）発信回路およびタイミング回路によって出力され
   た信号を超音波に変換する超音波送波器およびガス検出
   用セル内の気体中を伝播することによって減衰した超音
   波を受信するための超音波受波器を上記ガス検出用セル
   の両端にそれぞれ向い合せて設け、 （ハ）上記超音波受波器からの出力信号を増幅する増幅
   回路および雑音成分除去用フィルター回路を経た信号の
   実効値または尖頭値の値からガス濃度を算出する演算回
   路および表示器を設けたことを特徴とするガス濃度測定
   装置。